探讨平板闸阀基于流体动力学的有限元分析

    平板闸阀在煤炭、冶金、石油、化工等行业中的应用十分广泛，由于管路中含有大量颗粒状物料和矿砂，所以对管路中调节阀的磨损是比较严重的，特别是煤炭系统中的重介质选煤厂尤为突出。旧式金属闸阀使用寿命短，一般为90d、有的仅30d，甚至使用7d时间就不得不更换新阀，且多数是人工操作、开关费力又不方便，经常由于闸板下部堆料而关闭不严、泄漏严重，大大影响了系统运行的稳定性。目前全国大型的洗煤厂有400多家，每家每年使用不同规格的阀门数百个，为此对此类阀门的研究越来越受到关注，主要是对过流部件从材料和结构上进行改进。而改进的前提就是对其进行准确的应力分析和结构可靠性分析，传统的试验方法固然可取，但是费用高、耗时长。随着计算机技术的发展，应用大型的有限元软件进行比较复杂的应力分析也成为可能。
一、结构改进
    对平板闸阀的主要磨损部位—阀体和闸板的结构进行了改进，闸板的下部采用了直线形结构，不但克服了老式闸阀下沿的圆弧尖处被加剧磨损的现象，而且提高了自动控制的线性关系。阀体也相应地在过流部位改成了方形结构，在阀体的左右侧设计了大口进、小口出的结构，解决了粉料堆积问题。在阀体和闸板的易磨损处，又设计了镶嵌陶瓷环的结构，增加了阀的耐磨性，提高整个闸阀的使用寿命。
二、闸阀阀体和闸板应力分
    1、模型建立
    由于平板闸阀在正常状态下阀门的开度约为50%，所以选取闸板在中间位置进行冲击过程中的有限元分析，冲击过程中的分析为流体动力学分析。阀体和阀板的分析模型，分别在三维实体造型软件ProPE中创建，然后通过数据接口导入ANSYS中。流体动力学模型选用FLUID142三维流体单元模型。对于镶嵌的陶瓷环，采用与阀体和闸板分别进行实体造型，导入ANSYS后，再进行布尔运算，实体相加之后划分单元格。改进后流动模型如图1所示。

    2、网格划分
    为了得到精确的结果，使用映射网格划分，闸阀的网格划分采用四面体单元网格，根据阀体各部位壁厚自动划分。为保证有限元计算结果的可靠性，单元网格划分尺寸设定应不大于阀体的最小壁厚值。在划分网格时，由于管壁附近梯度较大，所以管壁区域的网格适当做了调整，阀体应力分析采用Sol2id186单元网格，改进后的模型如图2、图3所示。


    3、边界条件处理和载荷情况
    流体动力学分析边界条件和载荷，包括入口、出口、液体和管壁的接触3部分。闸阀入口处假定进口速度均匀，并且垂直于进口流场上的流体速度为零，介质的流速为0.3m³Ps。在所有壁面上施加无滑移边界条件，即所有速度分量都为零。且流体不可压缩，性质为恒值。在这种情况下，压力就可只考虑相对值，因此在出口处施加的压力边界条件是相对压力为零，入口处施加阀门的试验压力为0.9MPa。关于阀壁变形对流体的影响，由于这一变形很小，忽略不计。
    介质的流速对阀门的压力为梯形压力，最大处为速度与介质密度的乘积，介质密度为1.4kgPm³，即介质的速度引起的压力最大值为0.42Pa，远远小于阀门的试验压力0.9MPa，也忽略不计。
    4、输入材料参数
    闸板选用的材料为2Cr13，其密度为7.9gPcm³，力学性能为：弹性模量E=206GPa，泊松比μ=0.3，阀体选用的材料为铸钢，其密度为7.8gPcm³，力学性能为：弹性模量E=210GPa，泊松比μ=0.3，下沿镶嵌的刚玉陶瓷体积密度为3.5gPcm³，其力学性能为：弹性模量E=380GPa，泊松比μ=0.32。
    5、计算求解与结果分析
    进入通用后处理模块POST1，采用浓淡图表示不同的数值区（如应力范围），清晰地反映了计算结果的区域分布情况，由于篇幅所限，只选取了改进后的湍流动能和压力分布示意图如图4、图5所示。





三、结论
    通过对比改进前与改进后阀体与闸板应力计算结果可知，改进后，阀体与闸板的最大拉应力数值与最大压应力数值均有下降。由表1可得改进后阀体所受应力情况，根据强度理论，计算相当应力σ_eq=60.7MPa，查找阀门的设计手册得安全系数n=2.3，铸钢的屈服极限σ_s=230MPa，因此.

    又因为σ_eq=60.7MPa<（σ）=100MPa
    所以阀体所选用的材料符合要求。
    由表2可得改进后闸板所受应力情况，根据强度理论，计算相当应力σ_eq=1.1MPa，2Cr13的屈服极限σ_s=450MPa。通过比较可得出结论，即闸板所受的应力远远小于材料的许用应力，所以要提高重介管路中平板闸阀的使用寿命，耐磨材料的选用至关重要。
    在此分析的基础上，通过改进闸板和阀体的过流部位的结构和选用高耐磨材质，就可明显改善阀门的耐磨损性能和密封性能，使阀门的使用寿命明显提高。

    参考资料
   高殿荣。液压锥阀流场的有限元解析（J）。机床与液压，2000（2）：12-14。
   杨源泉。阀门设计手册（K）。北京：机械工业出版社，2000。
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   马爱梅。基于流体动力学的弯管应力有限元分析（J）。机械设计，2006，23（3）：50-52。

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